Ce mémoire de thèse est consacré à une étude du fluage isotherme et anisotherme à diversniveaux de température et à l’analyse fine des évolutions microstructurales associées à diverschargements thermomécaniques imposés du superalliage monocristallin, CMSX-4®. Cetravail est complété par la validation d’un modèle de comportement mécanique permettantd’intégrer ces évolutions microstructurales (fraction volumique des phases en présence,largeur des couloirs de matrice gamma, ...) pour déterminer la durée de vie du matériau.Parallèlement, le rôle de la microstructure initiale du matériau associée aux traitementsthermiques imposés dans la phase d’élaboration a été étudié. Il a été montré un effet marquéde cette microstructure initiale lors des essais de fluage à basse température (< 900°C), ainsique lors des essais de fluage anisotherme. Une microstructure de précipitation en radeaux detype N a été montrée comme particulièrement néfaste pour la résistance en fluageanisotherme. Enfin, le comportement du CMSX-4® est systématiquement comparé à celuiprécédemment établi dans des conditions similaires sur d’autres superalliages monocristallinspour pales haute pression. / This thesis is dedicated to the study of the isothermal and non-isothermal creep behavior in awide temperature range, and to the analysis of the microstructural evolution during differentthermomechanical paths on the superalloy single crystal, CMSX-4®. Moreover, the validationof a mechanical behavior model validation completes this work. This model takes intoaccount the microstructural evolutions (e.g. phase volume fraction, gamma-matrix channelwidth…) to predict the creep life. Additionally, the effect of the initial microstructure fromthe heat treatment has been investigated. It has been shown a strong impact of the as-receivedmicrostructure on the low temperature isothermal creep properties, and during non-isothermalcreep. A N-type rafted microstructure has been shown to be particularly detrimental to thenon-isothermal creep properties. Finally, the behavior of the CMSX-4® has been comparedwith the previous studies realized in the same conditions on other single crystal superalloysfor blades applications.

La tenue au fluage des aubes de turbine haute pression est une problématique de premier ordre vis-à-visde la certification d'un turbomoteur d'hélicoptère. Les excellentes propriétés mécaniques à hautes températuresdes superalliages monocristallins base nickel en font les matériaux les plus utilisés pour la fabrication de cesaubes. Pour ces composants, les exigences réglementaires de certification imposent la réalisation d'essaisanisothermes, plus sévères que les conditions de fonctionnement en service, basés sur le mixage de différentsrégimes de fonctionnement d'un hélicoptère.L'enjeu de cette thèse est de mieux prédire le comportement mécanique et la durée de vie de cesmatériaux lors d'essais de certification des moteurs d'hélicoptères présentant des endommagementsprépondérants de type fluage grâce à l'établissement d'un modèle de comportement et d'endommagement. Cemodèle doit intégrer les effets transitoires de comportement mécanique et les effets d'anisotropie ; il doit êtreprédictif en termes de durée de vie et doit être apte à modéliser de manière satisfaisante les allongementsrencontrés lors de chargements complexes.Le premier objectif a été d'étudier l'impact de l'anisotropie cristalline sur les propriétés en fluageisotherme, puis son impact en conditions de fluage anisotherme à haute température.Le second objectif fut la formulation d'une modélisation mécanique du comportement en fluage sous trajets dechargements complexes à l'aide du modèle POLYSTAR, modèle de plasticité cristalline couplécomportement/endommagement et enrichi de nouvelles variables internes représentant explicitement lesévolutions rapides de microstructure.

La tenue au fluage des aubes de turbine haute pression est une problématique de premier ordre vis-à-visde la certification d'un turbomoteur d’hélicoptère. Les excellentes propriétés mécaniques à hautes températuresdes superalliages monocristallins base nickel en font les matériaux les plus utilisés pour la fabrication de cesaubes. Pour ces composants, les exigences réglementaires de certification imposent la réalisation d’essaisanisothermes, plus sévères que les conditions de fonctionnement en service, basés sur le mixage de différentsrégimes de fonctionnement d’un hélicoptère.L’enjeu de cette thèse est de mieux prédire le comportement mécanique et la durée de vie de cesmatériaux lors d’essais de certification des moteurs d’hélicoptères présentant des endommagementsprépondérants de type fluage grâce à l’établissement d’un modèle de comportement et d’endommagement. Cemodèle doit intégrer les effets transitoires de comportement mécanique et les effets d’anisotropie ; il doit êtreprédictif en termes de durée de vie et doit être apte à modéliser de manière satisfaisante les allongementsrencontrés lors de chargements complexes.Le premier objectif a été d’étudier l’impact de l’anisotropie cristalline sur les propriétés en fluageisotherme, puis son impact en conditions de fluage anisotherme à haute température.Le second objectif fut la formulation d’une modélisation mécanique du comportement en fluage sous trajets dechargements complexes à l’aide du modèle POLYSTAR, modèle de plasticité cristalline couplécomportement/endommagement et enrichi de nouvelles variables internes représentant explicitement lesévolutions rapides de microstructure. / The creep of high pressure turbine blades is a critical issue for the certification of a helicopter turboshaftengine. Due to their excellent mechanical properties at high temperatures, nickel-based single crystalsuperalloys are widely used for the manufacturing of these blades. For these components, certificationrequirements include non-isothermal conditions based on the mixing of different operating conditions (cruise,take-off …), conditions much more damaging than standard isothermal conditions used conventionally inlaboratories.The aim of this thesis is to get a better prediction of the mechanical behavior and creep life of thesematerials during certification procedure of helicopter turboshaft engines under which creep is the main lifelimiting factor. For this, a new constitutive modeling approach has been used for the creep behavior and damageevolution. This model includes the impact of microstructure evolutions and the impact of the crystal anisotropyon the mechanical behavior and creep life.The first objective was to study the impact of crystalline anisotropy on the isothermal creep propertiesand its impact in terms of non-isothermal creep at high temperatures.The second objective was to propose a mechanical modeling of the creep behavior under complex loads pathsusing POLYSTAR model, a crystal plasticity model including a coupling between creep behavior and creepdamage and new internal variables explicitly representing rapid changes in the precipitation state.

Ce travail s'inscrit dans le contexte de la modélisation et de la prévision de la durée de vie des aubes de turbine haute pression des turbines à gaz. Ces pièces sont réalisées en superalliage monocristallin base nickel tel que le MC2, matériau principal de l'étude. En service, ces dernières sont soumises à des conditions extrêmes de température et de contrainte. Des régimes d'urgence, dits O.E.I. (.One Engine Inoperative.), peuvent aussi survenir sur un hélicoptère bi-moteur : un des deux moteurs s'arrête ce qui provoque une augmentation de la température en sortie de chambre de combustion pour le moteur restant en fonctionnement. Dans le cadre de ce travail, le comportement anisotherme en fluage et en fatigue/fluage du superalliage monocristallin a été étudié afin de déterminer les répercussions des surchauffes à 1200. sur le comportement mécanique ultérieur à 1050. Il a pu être déterminé que le temps de pré-endommagement avant la surchauffe joue un rôle capital vis-à-vis de la durée de vie post-surchauffe. Cette influence est très dépendante de l'état microstructural du matériau sur lequel est réalisée la surchauffe (morphologie des précipités γ ', contraintes de cohérence entre les phases γ et γ '). Du point de vue des mécanismes d'endommagement, il a aussi été constaté que le niveau de température a une importance majeure en modifiant les contraintes de cohérence entre les deux phases γ et γ '. L'état microstructural jouant un rôle majeur sur la durée de vie lors des essais isothermes et anisothermes, une étude de l'évolution de la microstructure γ /γ' autour des particules de phase intermétallique μ a été faite, ainsi qu'une mesure expérimentale de l'évolution de la porosité, mesurée par des analyses tomographiques grâce à des essais de fluage multi-interrompus à haute température. Ceci a permis d'aboutir à un paramètre de dommage, à la frontière entre métallurgie et mécanique, prenant en compte les évolutions microstructurales. La coalescence orientée se déroulant à haute température, connue sous le nom de mise en radeaux, a une forte influence sur le comportement et l'endommagement des superalliages monocristallins. Ainsi, un nouveau modèle de mise en radeaux, prenant en compte la vitesse de sollicitation, a été implémenté dans le modèle de plasticité cristalline couplé comportement/endommagement Polystar. Ceci a permis d'améliorer la modélisation des essais longs. D'autres modifications ont été effectuées afin d'améliorer la modélisation lors des essais cycliques et de relaxation. Ce nouveau modèle a été testé et validé sur une éprouvette bi-entaillée générant des champs mécaniques multiaxiaux pendant un essai de fluage complexe anisotherme.

Ce travail s'inscrit dans le contexte de la modélisation et de la prévision de la durée de vie des aubes de turbine haute pression des turbines à gaz. Ces pièces sont réalisées en superalliage monocristallin base nickel tel que le MC2, matériau principal de l'étude. En service, ces dernières sont soumises à des conditions extrêmes de température et de contrainte. Des régimes d'urgence, dits O.E.I. (.One Engine Inoperative.), peuvent aussi survenir sur un hélicoptère bi-moteur : un des deux moteurs s'arrête ce qui provoque une augmentation de la température en sortie de chambre de combustion pour le moteur restant en fonctionnement. Dans le cadre de ce travail, le comportement anisotherme en fluage et en fatigue/fluage du superalliage monocristallin a été étudié afin de déterminer les répercussions des surchauffes à 1200. sur le comportement mécanique ultérieur à 1050. Il a pu être déterminé que le temps de pré-endommagement avant la surchauffe joue un rôle capital vis-à-vis de la durée de vie post-surchauffe. Cette influence est très dépendante de l'état microstructural du matériau sur lequel est réalisée la surchauffe (morphologie des précipités γ ', contraintes de cohérence entre les phases γ et γ '). Du point de vue des mécanismes d'endommagement, il a aussi été constaté que le niveau de température a une importance majeure en modifiant les contraintes de cohérence entre les deux phases γ et γ '. L'état microstructural jouant un rôle majeur sur la durée de vie lors des essais isothermes et anisothermes, une étude de l'évolution de la microstructure γ /γ' autour des particules de phase intermétallique μ a été faite, ainsi qu'une mesure expérimentale de l'évolution de la porosité, mesurée par des analyses tomographiques grâce à des essais de fluage multi-interrompus à haute température. Ceci a permis d'aboutir à un paramètre de dommage, à la frontière entre métallurgie et mécanique, prenant en compte les évolutions microstructurales. La coalescence orientée se déroulant à haute température, connue sous le nom de mise en radeaux, a une forte influence sur le comportement et l'endommagement des superalliages monocristallins. Ainsi, un nouveau modèle de mise en radeaux, prenant en compte la vitesse de sollicitation, a été implémenté dans le modèle de plasticité cristalline couplé comportement/endommagement Polystar. Ceci a permis d'améliorer la modélisation des essais longs. D'autres modifications ont été effectuées afin d'améliorer la modélisation lors des essais cycliques et de relaxation. Ce nouveau modèle a été testé et validé sur une éprouvette bi-entaillée générant des champs mécaniques multiaxiaux pendant un essai de fluage complexe anisotherme / This work is in the context of modeling and predicting the life of high pressure turbine blades of gas turbines. These components are made of nickel base single crystal superalloy such as the studied material MC2. Under operating conditions, they can be submitted to extreme stress and temperature conditions such as O.E.I. (.One Engine Inoperative.) which can also occur on a twin-engine helicopter : one engine stops which causes an increase in the outlet temperature of the combustion chamber for the remaining engine. In this work, the non-isothermal creep and creep/fatigue behaviors of single crystal superalloy have been studied to determine the impact of overheating at 1200. on the subsequent mechanical behavior at 1050 .. It has been determined that the prior thermomechanical degradation before an overheating plays an important role on the remaining life fraction. This influence is very dependent on the microstructural state of the material on which is performed the overheating (precipitate morphology of γ', coherency stress between the γ and γ' phases). From the damagemechanisms point of view, it was also found that the temperature level has a major importance in changing the coherency stresses between these two phases. The microstructural state plays a major role on the isothermal and non-isothermal life. Thus, the evolutions of the /' microstructure around the intermetallic μ phase particles have been studied as the porosity (determined by tomographic analysis through multi-interrupted creep tests at high temperature) which has led to a damage parameter taking into account microstructural evolutions and at the borderline between metallurgy and mechanics. Since the γ' directional coarsening is known to have an impact on the mechanical behavior at high temperature, a new model taking into account the γ' rafting has been designed. It takes into account the strain rate sensitivity of the γ' rafting and it was implemented in the coupled behavior/damage model of crystal plasticity named Polystar model. This has improved the modeling of long tests. Other changes were made to improve the cyclic and relaxation behaviors. This new model has been tested and validated on a notched specimen generating multiaxial mechanical fields during a non-isothermal complex creep test.